Ποιος είναι ο ρόλος της γλυκόζης στην κυτταρική αναπνοή;

Η ζωή στη Γη είναι εξαιρετικά διαφορετική, από τα μικρότερα βακτήρια που ζουν σε θερμικούς αεραγωγούς έως τους επιβλητικούς ελέφαντες πολλών τόνων που κάνουν το σπίτι τους στην Ασία. Όμως όλοι οι οργανισμοί (ζωντανά πράγματα) έχουν ορισμένα κοινά βασικά χαρακτηριστικά, μεταξύ των οποίων η ανάγκη για μόρια από τα οποία προέρχονται ενέργεια. Η διαδικασία εξαγωγής ενέργειας από εξωτερικές πηγές για ανάπτυξη, επισκευή, συντήρηση και αναπαραγωγή είναι γνωστή ως μεταβολισμός.

Όλοι οι οργανισμοί αποτελούνται από τουλάχιστον έναν κύτταρο (το σώμα σας περιλαμβάνει τρισεκατομμύρια), η οποία είναι η μικρότερη αμετάκλητη οντότητα που περιλαμβάνει όλες τις ιδιότητες που αποδίδονται στη ζωή χρησιμοποιώντας συμβατικούς ορισμούς. Ο μεταβολισμός είναι μια τέτοια ιδιότητα, όπως είναι η ικανότητα αναπαραγωγής ή αναπαραγωγής με άλλο τρόπο. Κάθε κύτταρο στον πλανήτη μπορεί και κάνει χρήση γλυκόζη, χωρίς την οποία η ζωή στη Γη είτε δεν θα είχε δημιουργηθεί ποτέ είτε θα φαινόταν πολύ διαφορετική.

Η γλυκόζη έχει τον τύπο Γ₆Η₁₂Ο₆, δίνοντας στο μόριο μοριακή μάζα 180 γραμμαρίων ανά γραμμομόριο. (Όλοι οι υδατάνθρακες έχουν τον γενικό τύπο Γ_νΗ_2ηΟ_ν.) Αυτό κάνει τη γλυκόζη περίπου στο ίδιο μέγεθος με τα μεγαλύτερα αμινοξέα.

Η γλυκόζη στη φύση υπάρχει ως δακτύλιος έξι ατόμων, που απεικονίζεται ως εξαγωνικό στα περισσότερα κείμενα. Πέντε από τα άτομα άνθρακα περιλαμβάνονται στον δακτύλιο μαζί με ένα από τα άτομα οξυγόνου, ενώ το έκτο άτομο άνθρακα είναι μέρος μιας υδροξυμεθυλικής ομάδας (-CH₂OH) προσαρτημένο σε έναν από τους άλλους άνθρακες.

Τα αμινοξέα, όπως η γλυκόζη, είναι εξέχοντα μονομερή στη βιοχημεία. Απλα οπως γλυκογόνο συναρμολογείται από μεγάλες αλυσίδες γλυκόζης, οι πρωτεΐνες συντίθενται από μεγάλες αλυσίδες αμινοξέων. Ενώ υπάρχουν 20 ξεχωριστά αμινοξέα με πολλά κοινά χαρακτηριστικά, η γλυκόζη έρχεται σε μία μόνο μοριακή μορφή. Έτσι, η σύνθεση του γλυκογόνου είναι ουσιαστικά αναλλοίωτη, ενώ οι πρωτεΐνες ποικίλλουν πολύ από το ένα στο άλλο.

Ο μεταβολισμός της γλυκόζης για απόδοση ενέργειας με τη μορφή τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) και CO₂ (διοξείδιο του άνθρακα, ένα απόβλητο προϊόν σε αυτήν την εξίσωση) είναι γνωστό ως κυτταρική αναπνοή. Το πρώτο από τα τρία βασικά στάδια της κυτταρικής αναπνοής είναι γλυκόλυση, μια σειρά από 10 αντιδράσεις που δεν απαιτούν οξυγόνο, ενώ τα δύο τελευταία στάδια είναι τα Κύκλος Krebs (επίσης γνωστό ως το κύκλος του κιτρικού οξέος) και το αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, που απαιτούν οξυγόνο. Μαζί, αυτά τα δύο τελευταία στάδια είναι γνωστά ως αερόβια αναπνοή.

Η κυτταρική αναπνοή εμφανίζεται σχεδόν εξ ολοκλήρου στο ευκαρυώτες (ζώα, φυτά και μύκητες). Προκαρυώτες (οι κυρίως μονοκύτταροι τομείς που περιλαμβάνουν βακτήρια και αρχαία) προέρχονται από τη γλυκόζη, αλλά σχεδόν πάντα από τη γλυκόλυση μόνο. Η επίπτωση είναι ότι τα προκαρυωτικά κύτταρα μπορούν να παράγουν μόνο περίπου το ένα δέκατο της ενέργειας ανά μόριο γλυκόζης όπως μπορούν τα ευκαρυωτικά κύτταρα, όπως περιγράφεται αργότερα.

Η «κυτταρική αναπνοή» και η «αερόβια αναπνοή» χρησιμοποιούνται συχνά εναλλακτικά κατά τη συζήτηση του μεταβολισμού των ευκαρυωτικών κυττάρων. Είναι κατανοητό ότι η γλυκόλυση, αν και μια αναερόβια διαδικασία, σχεδόν πάντοτε προχωρά στα δύο τελευταία βήματα κυτταρικής αναπνοής. Ανεξάρτητα, για να συνοψίσουμε το ρόλο της γλυκόζης στην κυτταρική αναπνοή: Χωρίς αυτήν, η αναπνοή σταματά και ακολουθεί απώλεια ζωής.

Ένζυμα είναι σφαιρικές πρωτεΐνες που δρουν ως καταλύτες σε χημικές αντιδράσεις. Αυτό σημαίνει ότι αυτά τα μόρια βοηθούν στην επιτάχυνση των αντιδράσεων που διαφορετικά θα συνεχίζονταν χωρίς τα ένζυμα, αλλά πολύ πιο αργά - μερικές φορές από έναν παράγοντα πάνω από χίλια. Όταν τα ένζυμα δρουν, δεν αλλάζουν μόνα τους στο τέλος της αντίδρασης, ενώ τα μόρια που δρουν, που ονομάζονται υποστρώματα, αλλάζουν από το σχεδιασμό, με αντιδραστήρια όπως η γλυκόζη μετατρέπεται σε προϊόντα όπως το CO₂.

Η γλυκόζη και το ATP έχουν κάποια χημική ομοιότητα μεταξύ τους, αλλά χρησιμοποιώντας την ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στους δεσμούς του πρώην μόριο για να τροφοδοτήσει τη σύνθεση του τελευταίου μορίου απαιτεί σημαντικά βιοχημικά ακροβατικά το κύτταρο. Σχεδόν κάθε κυτταρική αντίδραση καταλύεται από ένα συγκεκριμένο ένζυμο και τα περισσότερα ένζυμα είναι ειδικά για μία αντίδραση και τα υποστρώματά της. Η γλυκόλυση, ο κύκλος Krebs και η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, σε συνδυασμό, παρουσιάζουν περίπου δώδεκα αντιδράσεις και ένζυμα.

Όταν η γλυκόζη εισέρχεται σε ένα κύτταρο διάχυσης μέσω της μεμβράνης πλάσματος, συνδέεται αμέσως με μια ομάδα φωσφορικών (Ρ) ή φωσφορυλιωμένο. Αυτό παγιδεύει τη γλυκόζη στο κύτταρο λόγω του αρνητικού φορτίου του Ρ. Αυτή η αντίδραση, η οποία παράγει 6-φωσφορική γλυκόζη (G6P), λαμβάνει χώρα υπό την επίδραση του ενζύμου εξακινάση. (Τα περισσότερα ένζυμα καταλήγουν σε "-ase", καθιστώντας αρκετά εύκολο να γνωρίζετε πότε ασχολείστε με έναν στον κόσμο της βιολογίας.)

Από εκεί, το G6P αναδιατάσσεται σε φωσφορυλιωμένο τύπο ζάχαρης φρουκτόζη, και στη συνέχεια προστίθεται ένα άλλο P. Λίγο αργότερα, το μόριο έξι-άνθρακα χωρίζεται σε δύο μόρια τριών-άνθρακα, το καθένα με φωσφορική ομάδα. Αυτά σύντομα τακτοποιούνται στην ίδια ουσία, τη γλυκεραλδεϋδη-3-φωσφορική (G-3-P).

Κάθε μόριο του G-3-P περνά από μια σειρά βημάτων αναδιάταξης για να μετατραπεί στο μόριο τριών-άνθρακα πυροσταφυλικό, παράγοντας δύο μόρια ΑΤΡ και ένα μόριο του φορέα υψηλής ενέργειας NADH (μειωμένο από το νικοτινοτίδιο νικοτιναμιδίου αδενίνης ή NAD +) στη διαδικασία.

Το πρώτο μισό της γλυκόλυσης καταναλώνει 2 ATP στα στάδια της φωσφορυλίωσης, ενώ το δεύτερο μισό αποδίδει συνολικά 2 πυροσταφυλικό, 2 NADH και 4 ATP. Όσον αφορά την άμεση παραγωγή ενέργειας, έτσι η γλυκόλυση οδηγεί σε 2 ΑΤΡ ανά μόριο γλυκόζης. Αυτό, για τους περισσότερους προκαρυώτες, αντιπροσωπεύει το αποτελεσματικό ανώτατο όριο της χρήσης γλυκόζης. Στα ευκαρυωτικά, η εκπομπή γλυκόζης-κυτταρικής αναπνοής έχει ξεκινήσει μόνο.

Τα πυροσταφυλικά μόρια στη συνέχεια κινούνται από το κυτταρόπλασμα του κυττάρου προς το εσωτερικό των οργανιδίων που ονομάζονται μιτοχόνδρια, που περικλείονται από τη δική τους διπλή μεμβράνη πλάσματος. Εδώ, το πυροσταφυλικό χωρίζεται σε CO₂ και οξικό (CH₃COOH-), και το οξικό αρπάγεται από μια ένωση από την κατηγορία Β-βιταμίνης που ονομάζεται συνένζυμο Α (CoA) για να γίνει ακετυλο CoA, ένα σημαντικό ενδιάμεσο με δύο άνθρακα σε μια σειρά κυτταρικών αντιδράσεων.

Για να μπείτε στον κύκλο Krebs, το ακετύλιο CoA αντιδρά με την ένωση τεσσάρων άνθρακα οξαλοξικός σχηματίζω κιτρικό άλας. Επειδή το οξαλοξικό οξύ είναι το τελευταίο μόριο που δημιουργήθηκε στην αντίδραση Krebs καθώς και ένα υπόστρωμα στην πρώτη αντίδραση, η σειρά κερδίζει την περιγραφή «κύκλος». Ο κύκλος περιλαμβάνει συνολικά οκτώ αντιδράσεις, οι οποίες μειώνουν το κιτρικό έξι-άνθρακα σε ένα μόριο πέντε-άνθρακα και στη συνέχεια σε μια σειρά ενδιάμεσων τεσσάρων άνθρακα πριν φτάσουν ξανά στο οξαλοξικός.

Κάθε μόριο πυροσταφυλικού που εισέρχεται στον κύκλο Krebs έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή δύο επιπλέον CO₂, 1 ATP, 3 NADH και ένα μόριο φορέα ηλεκτρονίων παρόμοιο με το NADH δινουκλεοτίδιο φλαβίνης αδενίνηςή FADH₂.

• Ο κύκλος Krebs μπορεί να προχωρήσει μόνο εάν η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων λειτουργεί κατάντη για να παραλάβει το NADH και το FADH₂ δημιουργεί. Έτσι, εάν δεν υπάρχει διαθέσιμο οξυγόνο στο κύτταρο, ο κύκλος Krebs σταματά.

Το NADH και το FADH₂ μετακινηθείτε στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη για αυτήν τη διαδικασία. Ο ρόλος της αλυσίδας είναι το οξειδωτική φωσφορυλίωση των μορίων ADP για να γίνουν ATP. Τα άτομα υδρογόνου από τους φορείς ηλεκτρονίων χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία μιας ηλεκτροχημικής βαθμίδας κατά μήκος της μιτοχονδριακής μεμβράνης. Η ενέργεια από αυτήν την κλίση, η οποία βασίζεται στο οξυγόνο για την τελική λήψη των ηλεκτρονίων, αξιοποιείται για να τροφοδοτήσει τη σύνθεση ATP.

Κάθε μόριο γλυκόζης συμβάλλει οπουδήποτε από 36 έως 38 ATP μέσω της κυτταρικής αναπνοής: 2 στη γλυκόλυση, 2 στον κύκλο Krebs και 32 έως 34 (ανάλογα με τον τρόπο μέτρησης στο εργαστήριο) στη μεταφορά ηλεκτρονίων αλυσίδα.